CHAPITRE 5 : REALISATION DE DISPOSITIFS EN TOPOLOGIE FACE / FACE ET CONFIGURATION
I.4 Amélioration des performances
I.4-1 Les différentes méthodes pour améliorer les performances
Plusieurs chemins sont possibles afin d’augmenter les performances d’un micro- supercondensateur. La densité d’énergie dépend de la tension de cellule élevée au carré ainsi que de la capacité. La densité de puissance maximale dépend elle aussi de la tension de cellule au carré et aussi de l’ESR.
La variable commune à la densité d’énergie et de puissance est la tension de cellule. Afin de l’augmenter, deux solutions sont possibles. La première est de changer d’électrolyte. Nous savons que la fenêtre électrochimique du VN en milieu KOH est limité à 0.6 V afin d’avoir une stabilité en cyclage. Un autre type d’électrolyte, les liquides ioniques ayant des fenêtres de potentiels supérieures à celle des électrolytes aqueux peuvent remplacer le KOH. Ces liquides ioniques présentent l’inconvénient d’être très visqueux générant de très faibles conductivités ioniques ce qui a pour conséquence d’augmenter l’ESR. Une étude centrée sur l’utilisation de liquides ioniques et menée en collaboration avec Jean Le Bideau et Thierry Brousse sera présentée dans le chapitre 6. La seconde façon d’augmenter la fenêtre de potentiel est de faire un dispositif asymétrique ou hybride, composé d’une électrode de VN et d’une électrode d’un autre matériau pouvant être cyclé en KOH mais sur des bornes de potentiel différentes. Des dispositifs asymétriques couplant une électrode de VN et une électrodes de carbone 87,128,174, d’oxyde de nickel175 (NiO) ou d’oxyde de colbat89 (Co
3O4)ont déjà été réalisés permettant d’obtenir des fenêtre de potentiel de 1.8 V. Souhaitant réaliser des dispositifs symétriques simple, cette solution ne sera pas employée dans le cadre de cette thèse mais des solutions sont proposées en perspective.
L’augmentation de la capacité surfacique en configuration symétrique et en milieu KOH représente notre challenge. L’augmentation de la surface spécifique de l’électrode est donc un point essentiel, point qui peut être adressé par l’amélioration de la porosité du matériau ou par l’augmentation de la quantité de matériau des électrodes. Nous avons vu dans le chapitre 3 que nous pouvons moduler la porosité et donc la surface spécifique déployée par notre matériau en jouant sur les paramètres de dépôts par pulvérisation cathodique. Il est aussi possible de créer des substrats micro/nanostructurés et de les recouvrir de matériaux. Nous pouvons par exemple structurer le substrat de silicium afin d’augmenter la surface de dépôt tout en gardant la même empreinte surfacique147,176. Cependant, la pulvérisation cathodique ne permet pas de réaliser des dépôts conformes. Cette technique pourrait éventuellement fonctionner mais pour des rapports d’aspect très faibles, résultant à une faible augmentation des performances pour un cout et un temps de fabrication plus élevé. Une autre technique de dépôt devra être utilisée dès lors que l’on envisage l’utilisation de substrat structuré. De ce fait, la manière la plus simple pour augmenter la performance d’un dispositif est d’augmenter la quantité de matière déposée grâce à une augmentation de l’épaisseur des électrodes. C’est cette méthode qui sera présentée dans ce paragraphe.
I.4-2 Augmentation de l’épaisseur des électrodes
Les dépôts réalisés par pulvérisation cathodique à une température de 350 °C, une pression de 5.10-3 mbar et des épaisseurs de 340 nm, 1 µm, et 2 µm ont été préparés pour cette étude. Tous les tests ont été effectués en utilisant la cellule espaçant de 17 mm les deux électrodes mises en vis à vis.
Les diagrammes de Nyquist de ces dispositifs sont rapportés en figure V.6. Dans un premier temps, nous pouvons voir une différence de comportement vers les basses fréquences. Tout d’abord, la diminution de la partie imaginaire signifie une augmentation de la capacité CPEPSEUDO, ce qui est logique dans notre cas car nous augmentons la capacité surfacique. Tout comme l’étude précédente, nous ne voyons pas de demi-cercle à haute fréquence, ne nous permettant donc pas de déterminer l’ESR.
Figure V.6 PEIS de fonction de l'épaisseur des électrodes de dispositifs face/face et (B) évolution de la capacité en fonction de la fréquence
Le diagramme de Ragone résumant les performances des dispositifs en fonction de l’épaisseur des électrodes est disponible figure V.7A. Comme nous pouvons le voir, une augmentation de l’épaisseur amène bien une amélioration de la densité de puissance et d’énergie des dispositifs. Un rapport de 3 entre les performances d’un dispositif constitué d’électrode de 340 nm d’épaisseur et un dispositif dont les électrodes font 1 µm d’épaisseur peut être déterminé. En normalisant le diagramme de Ragone par l’épaisseur des électrodes (Fig V.7B), les performances d’un dispositif dont les électrodes présentent une épaisseur de 2 µm sont plus faibles que les plus basses épaisseurs. Cela traduit une non linéarité de l’augmentation de la capacité surfacique ainsi qu’une diminution de la conductivité ionique ce qui est cohérent avec les résultats obtenus dans le chapitre 3. Cela montre, dans notre cas, que l’augmentation de l’épaisseur des électrodes dans le but d’améliorer les performances d’un dispositif a des limites si le dépôt n’est pas bien maitrisé. Toutefois, le contrôle de la morphologie de la couche est impératif dès lors que l’on souhaite augmenter les performances surfaciques de nos dispositifs en augmentant les épaisseurs des électrodes.
Figure V.7 Diagramme de Ragone (A) et diagramme de Ragone normalisé par l’épaisseur des électrodes de dispositifs en configuration face / face.
D’un point de vue transfert industriel, la réalisation de dispositifs composés de deux électrodes disposées en vis à vis et séparées par un liquide n’est pas viable. La réalisation de dispositifs où les deux électrodes sont sur le même plan permettrait de simplifier cela tout en permettant de réduire l’espace entre les deux électrodes.